Inspirace v dávných chemických reakcích pro řešení klimatické krize

Aby pomohl nalézt řešení klimatické krize, zaměřuje se docent Daniel Suess z MIT na dávnou historii Země.

V raných fázích vývoje života získaly buňky schopnost provádět reakce, jako je přenos elektronů z jednoho atomu na druhý. Tyto reakce, které pomáhají buňkám budovat sloučeniny obsahující uhlík nebo dusík, se opírají o specializované enzymy s uskupeními atomů kovů.

Pochopením fungování těchto enzymů doufá Suess v nalezení nových způsobů provádění základních chemických reakcí, které by mohly pomoci zachycovat uhlík z atmosféry nebo umožnit vývoj alternativních paliv.

„Musíme najít způsob, jak přeprogramovat společnost tak, abychom se nespoléhali pouze na rozsáhlé zásoby redukovaného uhlíku, fosilních paliv a jejich spalování kyslíkem,“ říká. „My se ohlížíme zpět, až o miliardu let před vznikem kyslíku a fotosyntézy, abychom zjistili, zda můžeme identifikovat chemické principy, které leží v základu procesů nezávislých na spalování uhlíku.“

Jeho práce by mohla také vrhnout světlo na jiné důležité buněčné reakce, například přeměnu dusíku na amoniak, což je klíčový krok při výrobě syntetických hnojiv.

Prozkoumávání chemie

Suess, který vyrůstal ve Spokane ve Washingtonu, se v mladém věku zajímal o matematiku, ale nakonec vystudoval chemii a angličtinu na Williams College, kterou si vybral díky široké nabídce kurzů.

„Zajímaly mě školy, které se více zaměřovaly na model volných umění, mezi nimiž byl i Williams. Myslel jsem si, že nabízejí správnou kombinaci skutečně zajímavých kurzů a svobody výběru předmětů,“ říká. „Nepředpokládal jsem, že budu studovat chemii, ale potom se mi moje hodiny chemie a učitelé chemie opravdu líbili.“

Ve svých hodinách prozkoumával všechny aspekty chemie a všechny ho zaujaly.

„Líbila se mi organická chemie, protože se v ní klade důraz na tvorbu věcí. A líbila se mi fyzikální chemie, protože se snažila nabídnout alespoň semi-kvantitativní způsob pochopení světa. Fyzická chemie popisuje některé z nejdůležitějších objevů ve vědě 20. století, včetně kvantové mechaniky a jejích aplikací na atomy a molekuly,“ říká.

Po vysoké škole přišel Suess na MIT na postgraduální studium a začal pracovat s profesorem chemie Jonasem Petersem, který nedávno přišel z Caltechu. O několik let později se Peters vrátil na Caltech a Suess ho následoval a pokračoval ve své disertační práci na nových způsobech syntézy anorganických molekul.

Jeho projekt se zaměřil na molekuly, které se skládají z kovu, jako je železo nebo kobalt, vázaného na nekovovskou skupinu známou jako ligand. V těchto molekulách kovový atom obvykle přitahuje elektrony z ligandu. Molekuly, na kterých Suess pracoval, byly však navrženy tak, aby kov odevzdal své vlastní elektrony ligandu. Takové molekuly lze použít k urychlení obtížných reakcí, které vyžadují rozbití velmi silných vazeb, jako je trojná vazba dusík-dusík v N₂.

Během postdoktorandského studia na Kalifornské univerzitě v Davisu Suess změnil zaměření a začal pracovat na biomolekulách – konkrétně na metaloproteinech. To jsou proteinové enzymy, které mají v aktivním centru vázané kovy, které pomáhají katalyzovat reakce.

Suess studoval, jak buňky syntetizují aktivní centra obsahující kovy v těchto proteinech, a zaměřil se na enzym zvaný železo-železo hydrogenáza. Tento enzym, který se nachází hlavně v anaerobních bakteriích, včetně některých, které žijí v lidském trávicím traktu, katalyzuje reakce zahrnující přenos protonů a elektronů. Konkrétně může kombinovat dva protony a dva elektrony za vzniku H₂ nebo může provádět opačnou reakci, rozkládá H₂ na protony a elektrony.

„Tento enzym je skutečně důležitý, protože mnoho buněčných metabolických procesů buď generuje přebytečné elektrony, nebo je vyžaduje. Pokud se generují přebytečné elektrony, musí někam zmizet, a jedním z řešení je umístit je na protony za vzniku H₂,“ říká Suess.

Reakce v globálním měřítku

Od svého nástupu na MIT v roce 2017 Suess pokračuje ve svém výzkumu metaloproteinů a reakcí, které katalyzují.

„Zajímáme se o chemické reakce v globálním měřítku, což znamená, že probíhají v mikroskopickém měřítku, ale v obrovském rozsahu,“ říká. „Ovlivňují planetu a určují, jaké je molekulární složení biosféry a jaké bude.“

Fotosyntéza, která se objevila přibližně před 2,4 miliardami let, měla největší dopad na atmosféru, naplnila ji kyslíkem, ale Suess se zaměřuje na reakce, které buňky začaly používat ještě dříve, když atmosféra postrádala kyslík a buněčný metabolismus nemohl být řízen dýcháním.

Mnoho z těchto dávných reakcí, které buňky používají dodnes, zahrnuje třídu metaloproteinů zvaných železo-sirové proteiny. Tyto enzymy, které se nacházejí ve všech říších života, se podílejí na katalyzování mnoha nejobtížnějších reakcí, ke kterým v buňkách dochází, jako je tvorba uhlíkových radikálů a přeměna dusíku na amoniak.

Ke studiu metaloenzymů, které tyto reakce katalyzují, používá Suessova laboratoř dva různé přístupy. V jednom vytvářejí syntetické verze proteinů, které mohou obsahovat méně atomů kovů, což umožňuje větší kontrolu nad složením a tvarem proteinu, díky čemuž jsou snadněji studovatelné.

V druhém přístupu používají přirozenou verzi proteinu, ale nahrazují jeden z atomů kovu izotopem, který usnadňuje použití spektroskopických technik k analýze struktury proteinu.

„To nám umožňuje studovat jak vazbu v klidovém stavu enzymu, tak vazbu a struktury reakčních intermediátů, které lze charakterizovat pouze spektroskopicky,“ říká Suess.

Pochopení toho, jak enzymy provádějí tyto reakce, by mohlo pomoci vědcům najít nové způsoby, jak odstraňovat oxid uhličitý z atmosféry jeho kombinací s jinými molekulami za vzniku větších sloučenin. Nalezení alternativních způsobů přeměny dusíku na amoniak by také mohlo mít velký dopad na emise skleníkových plynů, protože Haber-Boschova metoda, která se nyní používá k syntéze hnojiv, vyžaduje obrovské množství energie.

„Naším hlavním cílem je porozumět přírodnímu světu, ale myslím si, že když hledáme různé způsoby, jak zapojit biologické katalyzátory do efektivních reakcí, které ovlivňují společnost, musíme vědět, jak toto zapojení funguje. A to se právě snažíme zjistit,“ říká.